estudo comparativo entre o processo de...
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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA MECÂNICA - COEME
ENGENHARIA MECÂNICA
CARLA LUIZA COSTA DOS SANTOS
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE O PROCESSO DE
ALARGAMENTO E A OPERAÇÃO DE FURAÇÃO CONVENCIONAL
EM AÇO SAE 4140
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
GUARAPUAVA
2018
CARLA LUIZA COSTA DOS SANTOS
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE O PROCESSO DE
ALARGAMENTO E A OPERAÇÃO DE FURAÇÃO CONVENCIONAL
EM AÇO SAE 4140
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em engenharia mecânica pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Ms. Henrique Ajuz Holzmann
GUARAPUAVA
2018
TERMO DE APROVAÇÃO
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE O PROCESSO DE ALARGAMENTO E A OPERAÇÃO DE FURAÇÃO CONVENCIONAL EM AÇO SAE 4140
por
Carla Luiza Costa Dos Santos
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado em 11 de dezembro de 2018
como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro(a) Mecânico. O
candidato(a) foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo
assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
__________________________________ Henrique Ajuz Holzmann
Prof.(a) Orientador(a)
__________________________________ Aldo Przybysz Membro titular
___________________________________ Ricardo Vinicius Bibna Biscaia
Membro titular
___________________________________ Aldo Przybysz
Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica
- O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do Curso –
Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Guarapuava
Diretoria de Graduação e Educação Profissional Coordenação de Engenharia Mecânica
RESUMO
SANTOS, C.L.C.. Estudo comparativo entre o processo de alargamento e furação
convencional em aço SAE 4140. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso Engenharia
Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Guarapuava, 2018.
Este trabalho tem como objetivo realizar um estudo comparativo em relação a
precisão geométrica, entre o processo de alargamento e a operação de furação
convencional utilizando broca helicoidal em aço SAE 4140. Para realizar este estudo,
foi utilizada uma broca com diâmetro de 10 mm para o processo de furação
convencional, e uma broca de 9,5 mm para a realização do pré-furo, e posteriormente
foi realizado o alargamento. Os dois processos foram realizados à seco, e foram
realizados 17 furos passantes com diâmetro de 10 mm em cada processo. Após a
realização dos furos o corpo de prova foi encaminhado a uma máquina de medição
em coordenadas para verificação dos desvios de cilindricidade e circularidade. No
decorrer dos processos de furação e alargamento foram sendo realizadas medições
em relação ao desgaste de flanco em cada ferramenta utilizada.
Palavras-chave: Alargamento, furação convencional, broca helicoidal, aço SAE 4140, cilindricidade, circularidade, desgaste de flanco.
ABSTRACT
The aim of this work is to perform a comparative study in relation to the geometric precision between the expansion process and the conventional drilling operation using SAE 4140 steel helical drill. In order to perform this study, a drill with a diameter of 10 mm was used for the conventional boring process and 9.5 mm drill bit for the pre-drilling, and then the enlargement was carried out. The two processes were performed in the dry, and 17 through holes with a diameter of 10 mm were made with each process. After the drilling of the holes the test body was sent to a measuring machine in coordinates to verify the deviations of cylindricity and circularity. During the drilling and enlargement processes, measurements were made in relation to the flank wear in each tool.
Keywords: Enlargement, conventional drilling, helical drill, SAE 4140 steel, cylindricity, circularity, flank wear.
LISTA DE FIGURA
Figura 1 - - Broca helicoidal com haste cilíndrica ou cônica ...................................... 15
Figura 2 - Tipos de alargamento ............................................................................... 16
Figura 3 - 3 – Qualidade de trabalho para eixos e furos ........................................... 18
Figura 4 – Notações e simbologia dos erros macrogeométricos ............................... 19
Figura 5 – Desvios de circularidade (a) e de cilindricidade (b) representados graficamente .............................................................................................................. 20
Figura 6 – Erros geométricos no processo de furação .............................................. 21
Figura 7 – Propriedades mecânicas do aço AISI 4140 ............................................. 23
Figura 8 – Fluxograma das etapas a serem realizadas ............................................. 24
Figura 9 – Corpo de prova que utilizado nos ensaios ............................................... 24
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Desgaste de flanco (Vbmax) µm ............................................................. 29
Gráfico 2 – Desvio de diâmetro – Broca 10 mm ........................................................ 30
Gráfico 3 – Desvio de diâmetro – Furação intermediária 9,5 mm ............................. 32
Gráfico 4 – Desvio de diâmetro – Alargamento ......................................................... 33
Gráfico 5 - Desvio de cilindricidade em função do processo ..................................... 36
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Desvio de circularidade – Furo 1, 8 e 16 de cada processo........................25
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição do Aço SAE 4140 ................................................................ 22
Tabela 2 – Parâmetros de corte – Furação Convencional ........................................ 25
Tabela 3 – Parâmetros de corte ................................................................................ 25
Tabela 4 – Desgaste de Flanco (Vbmax) µm ............................................................ 28
Tabela 5 – Diâmetro real em função do processo de furação com broca 10 mm ..... 29
Tabela 6 – Diâmetro real em função do processo de furação com broca 9,5 mm .... 31
Tabela 7 – Diâmetro real em função do processo alargamento ................................ 32
Tabela 8 – Desvio de circularidade em função do processo ..................................... 34
Tabela 9 – Desvio de cilindricidade em milímetros .................................................. 35
LISTA DE SIGLAS E ACRÔNIMOS
Z – Número de peças
tt – tempo total de usinagem
tc – tempo de corte
ts – tempo secundário
ta – tempo de preparo da máquina
tft – tempo de troca da ferramenta
Nt – número de trocas da ferramenta
T – tempo de vida da ferramenta
Kp – custo total de fabricação de uma peça
C1 – constante de custo independente da velocidade
C2 – soma das despesas totais de mão-de-obra e salário máquina
C3 – constante de custo relativo à ferramenta
vc – Velocidade de corte
vf – Velocidade de avanço
f – Avanço por rotação
n - rotação
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................10
1.1 OBJETIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS ...........................................................11
1.2 JUSTIFICATIVA ................................................................................................12
2 REFERENCIAL TEÓRICO ...................................................................................14
2.1 PROCESSO DE FURAÇÃO .............................................................................14
2.2 PROCESSO DE ALARGAMENTO ...................................................................15
2.2.1.1 Alargadores .................................................................................................16
2.3 METROLOGIA DO FURO .................................................................................17
2.4 PROBLEMAS NA FURAÇÃO ...........................................................................20
2.5 TEMPO DE PROCESSO E CUSTOS ...............................................................21
2.6 AÇO SAE 4140 .................................................................................................22
3 METODOLOGIA ...................................................................................................24
3.1 PREPARAÇÃO DO CORPO DE PROVA .........................................................24
3.2 PROCESSO DE USINAGEM ............................................................................25
3.2.1.1 Processo de furação utilizando broca helicoidal .........................................25
3.2.1.2 Processo de alargamento ...........................................................................25
3.3 INSPEÇÃO DOS FUROS .................................................................................26
3.4 ANÁLISES FINAIS ............................................................................................27
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES .........................................................................28
4.1 DESGASTE DE FLANCO .................................................................................28
4.3 DESVIO DE CIRCULARIDADE ........................................................................34
4.4 DESVIO DE CILINDRICIDADE .........................................................................35
5 CONCLUSÃO .......................................................................................................37
6 REFERÊNCIAS ....................................................................................................38
10
1 INTRODUÇÃO
De forma ampla, a manufatura pode ser entendida como a transformação de
matérias-primas em produtos acabados, através de processos, seguindo planos bem
organizados e bem definidos. Já o termo fabricação é empregado de uma forma mais
restrita, limitando-se aos processos nele envolvido. A fabricação é geralmente
referenciada como uma sequência de operações, onde cada etapa individual conduz
a matéria-prima a um estado mais próximo do objeto final (GROOVER, 2007)
Quando a matéria prima é metálica, tem-se de forma global dois tipos de
classificações para os processos de fabricação, os mecânicos (usinagem e
conformação) e os metalúrgicos (fundição e soldagem). Segundo Trent (2000), dentre
esses processos a usinagem é reconhecidamente o processo de fabricação mais
popular do mundo.
Grande parte das peças metálicas obtidas por meio dos processos
metalúrgicos convencionais, em sua maioria requerem operações de usinagem para
obtenção do acabamento superficial desejado e melhorar as tolerâncias dimensionais
(CHIAVERINI, 2012).
Dentre as operações de usinagem, a que tem a função de abrir, alargar ou
acabar furos de peças, é a furação (CHIAVERINI, 2012). O que a torna um dos
processos mais empregados na indústria manufatureira, já que na maioria das peças
industriais nota-se a presença de furos, envolvendo assim aproximadamente 30% de
todas as operações de usinagem de metal. Nessa operação leva-se em conta alguns
fatores como, diâmetro do furo, tolerâncias de forma e de medidas, tolerâncias e
volume de produção (DINIZ, 2006).
Nas operações de furação utiliza-se ferramentas denominadas brocas, que
podem ser classificadas como, brocas chatas, brocas helicoidais, brocas canhão (para
furos profundos), brocas ocas para trepanação dentre outras. A furação utilizando
essa ferramenta apresenta dificuldade em relação à remoção do cavaco e lubrificação
na região de corte, nota-se também grande vibração durante o processo, e uma
velocidade de corte não uniforme, variando de zero no centro do furo até um máximo
na periferia (STEMMER, 2008). Todos esses fatores resultam muitas vezes em furos
ovalizados (variação geométrica em relação à circunferência), acabamento superficial
grosseiro e tolerâncias muito largas em relação a uma necessidade específica. Sendo
11
assim, operações subsequentes são muitas vezes necessárias, com o objetivo de se
obter furos com melhor precisão dimensional, maior precisão de forma e alinhamento
e melhor acabamento superficial.
A grande maioria das operações de furação são realizadas com brocas
helicoidais e um fator extremamente importante em relação a isso, é sua imprecisão.
A tolerância dimensional normal de superfícies furadas com essa ferramenta é da
ordem de IT11 (DINIZ, 2006) - a norma NBR 6758/1995, prevê 18 qualidades de
trabalho para furos. Essas qualidades são identificadas pela letra IT seguidas de
numerais - Para o caso da tolerância dimensional IT11, o número 11 indica a qualidade
de trabalho, e ele está associado a uma qualidade de trabalho recorrente. Portanto,
quando é preciso obter um furo de maior precisão, realiza-se operações
subsequentes, como por exemplo, operações de torneamento interno, mandrilamento
e alargamento (STEMMER, 2008).
Segundo Diniz (2006), para furos de precisão e de pequenos diâmetros
(normalmente menores que 20 mm), usa-se geralmente a operação de alargamento,
que é um processo mecânico de usinagem destinado ao desbaste ou ao acabamento
de furos cilíndricos ou cônicos, com auxílio de ferramenta multicortante (FERRARESI,
1924). Essa operação também pode ser definida, segundo a norma DIN 8589, como
um tipo de furação que utiliza uma ferramenta de alargar (alargadores) para produzir
pequenas espessuras de cavacos e criar superfícies com alta qualidade dimensional
e de forma (DA SILVA, 2001).
Considerando as dificuldades e limitações do processo de furação utilizando
brocas helicoidais, o presente trabalho tem o intuito de comparar uma furação
convencional por brocas com a furação utilizando alargadores de acabamento,
avaliando parâmetros técnicos e econômicos, identificando qual a melhor escolha
entre eles para uma determinada situação.
1.1 OBJETIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS
O objetivo do presente trabalho é apresentar um comparativo em relação a
precisão geométrica entre o processo de alargamento de furos, e a operação de
furação convencional com broca helicoidal em aço SAE 4140.
Já os objetivos específicos são:
12
Realizar o processo de furação com broca helicoidal;
Realizar o processo de alargamento do furo;
Realizar inspeções de medição do furo alargado;
Comparar os desvios de cilindricidade e circularidade obtidos em cada
processo;
Realizar medições de desgaste de flanco em cada ferramenta, e realizar um
comparativo.
1.2 JUSTIFICATIVA
As características da economia globalizada, em especial a acirrada
concorrência, trazem a necessidade de se desenvolver sistemas de melhor
desempenho e produtos com custos competitivos, ou seja, as organizações buscam
adotar processos que assegurem a qualidade e produtividade, otimizando seus
processos, minimizando custos e prazo de entrega (BAZZO,PEREIRA,2006).
Otimização é o processo de procura por uma solução que forneça o máximo
benefício segundo algum critério; ou seja, é a busca da melhor condição para um
determinado problema, cabendo ao profissional da engenharia identificar qual será a
melhor delas. No entanto, restrições econômicas, de tempo, de recursos técnicos ou
mesmo de falta de conhecimento limitam muitas vezes essa escolha (BAZZO,
PEREIRA, 2006).
Referente ao uso do processo de furação, o furo produzido utilizando apenas
brocas helicoidais apresenta várias limitações quando se diz respeito a precisão
dimensional e acabamento superficial, e no mercado atual há inúmeras aplicações
nas quais se necessita destas características, de modo que os furos produzidos
requerem uma qualidade que um único processo de furação não consegue alcançar,
necessitando de operações subsequentes, como por exemplo o processo de
alargamento, que faz desta operação de furação uma das mais influentes em termos
de custo de fabricação.
Cilindricidade é a diferença de raio entre dois cilindros concêntricos contidos na
superfície do furo. O desvio de cilindricidade pode gerar problemas em peças rotativas
fazendo com que ocorra vibração devido ao desbalanceamento. Já em um conjunto
de peças rotativas esse desvio pode fazer com que ocorra folga ou interferência para
13
diferentes posições angulares. Em guias cilíndricas esse desvio de cilindricidade pode
fazer com que a guia dificulte ou impeça o movimento de um mancal linear. Desta
maneira, é de extrema importância realizar a especificação desse desvio sempre que
a falta da tolerância desta superfície comprometer o funcionamento da peça ou do
conjunto de peças (STOCKLER, MARCO, 2016). Portanto, um estudo comparativo
entre os dois processos de furação - o que utiliza somente a broca, e o que faz uso
do alargador - é de grande relevância pois mostrará qual o melhor processo a ser
utilizado, de modo que se obtenha furos com menores desvios de cilindricidade,
circularidade, ou seja, uma maior precisão dimensional.
Em relação aos aços, eles são muito utilizados em aplicações industriais, como
por exemplo os aços de baixa liga da família SAE 4xxx. Esses aços alcançam alta
resistência por meio dos tratamentos térmicos de têmpera e revenido. Um dos
principais aços da família 41xx é o AISI/SAE 4140, sendo um dos mais aplicados na
indústria metal-mecânica, principalmente em peças que exigem elevada dureza e
tenacidade (ASM Handbook, 1990). De modo recorrente são muito utilizados na
fabricação de automóveis, aviões, virabrequins, bielas, eixos, engrenagens, armas,
parafusos, equipamentos de petróleo, dentre outros (ROCHA, 2004). Sendo assim,
pode-se afirmar que é de grande importância realizar estudos referentes aos
processos de fabricação mecânica utilizando este material.
14
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 PROCESSO DE FURAÇÃO
O processo mecânico de usinagem designado para a obtenção de um furo
normalmente cilíndrico em uma peça, utilizando na maioria das vezes uma ferramenta
multicortante, é definido como furação (FERRARESI, 1924).
Grande parte das peças, em qualquer segmento industrial, tem ao menos uma
geometria de furo, e como apenas uma parte muito pequena dessas conseguem
geometrias acabadas a partir dos processos primários de fabricação (fundição,
forjamento, etc), é necessário um processo posterior de acabamento, o que o torna a
furação um dos processos de usinagem mais empregados na indústria manufatureira
(DINIZ, 2014).
De acordo com Klocke (2011), o processo de furação apresenta algumas
particularidades:
A velocidade de corte é nula no centro da broca, chegando ao seu valor
máximo na periferia (diâmetro máximo) da ferramenta;
Apresenta dificuldade no transporte dos cavacos para fora da cavidade
da broca;
Distribuição inadequada de calor na região de corte;
Quando não apresenta chanfro, a quina da broca está sujeita a
desgastes excessivos;
As guias das ferramentas se atritam com a parede do furo durante o
processo.
A ferramenta normalmente utilizada no processo de furação é denominada
broca, sendo uma ferramenta rotativa e cilíndrica, que possui arestas de corte em sua
ponta útil. As brocas mais utilizadas na indústria, por realizar o processo de forma
rápida e econômica, são as brocas helicoidais. Seus diâmetros variam entre 0,15 mm
até valores superiores a 75 mm (GROOVER, 2007). A Figura 1 mostra as partes de
uma broca helicoidal segundo a norma NBR 6179.
15
Figura 1 - Broca helicoidal com haste cilíndrica ou cônica
Fonte: <https://www.dumonttreinamentos.com.br/terminologia>
Na maioria das vezes, as operações de furação são executadas com brocas
helicoidais de aço rápido com ou sem camada de cobertura. Como consequência,
tem-se um processo bastante lento, além de apresentar outras desvantagens, como
uma imprecisão no furo gerado. Geralmente a tolerância dimensional de furos obtidos
com essa ferramenta é da ordem IT 11. Em relação a tolerância geométrica, o
comprimento do furo não pode ser muito grande (Largura/Diâmetro máximo da ordem
de 3), podendo ocorrer excentricidade. Portanto, quando é necessário a obtenção de
um furo de precisão, emprega-se uma broca helicoidal, para realizar um pré-furo, e
em seguida, são realizadas operações de acabamento, como por exemplo,
alargamento, brochamento, mandrilamento, torneamento interno, etc.., para obter as
características desejadas (DINIZ, 2006).
Assim, quando é necessário realizar uma calibração no furo e melhorar
algumas características, como o acabamento da superfície gerada pela broca
helicoidal, comumente utiliza-se alargadores de desbaste ou acabamento. Podendo-
se obter furos com qualidades de trabalho que podem chegar até IT 6, e esse processo
é definido como alargamento (STEMMER, 2008).
2.2 PROCESSO DE ALARGAMENTO
De acordo com a norma DIN 8589, o alargamento é um processo de usinagem
de precisão, que proporciona algumas mudanças nas características de um furo já
existente, como aumento do furo, melhorias no acabamento superficial e de
16
geometria, podendo se obter qualidades de trabalho da ordem IT7. Já Ferraresi (1924)
definiu o alargamento como um processo mecânico de usinagem atribuído ao
desbaste ou acabamento de furos cilíndricos ou cônicos, utilizando normalmente uma
ferramenta multicortante. Onde a ferramenta ou a peça giram e ao mesmo tempo a
ferramenta ou a peça se movem numa trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao
eixo de rotação da ferramenta. O alargamento pode ser do tipo cilíndrico ou cônico,
como ilustrado na Figura 2.
Figura 2 - Tipos de alargamento
Fonte: Ferraresi, 1924.
Esses alargadores possuem uma série de gumes e canais, revezados na
periferia do cone ou cilindro. Os gumes podem ser paralelos ao eixo do alargador ou
então helicoidais, com hélice à direita ou à esquerda (STEMMER, 2008).
2.2.1.1 Alargadores
Os alargadores, são ferramentas de geometria definida, utilizadas nas
operações de alargamento. Segundo Schoroeter (1989) e Stemmer (2008) os
alargadores podem ser classificados da seguinte maneira:
Tipo de operação – podem ser de desbaste ou acabamento. Para
desbaste, os alargadores têm a função de aumentar o diâmetro do furo em bruto,
como os obtidos nos processos primários (fundição e forjamento). Já com alargadores
17
de acabamento, é possível obter furos com medidas mais precisas de forma e uma
maior qualidade em relação ao acabamento superficial (STEMMER, 2008).
Tipo de dentes (canais) – podem ser dentes retos ou helicoidais. Os
alargadores helicoidais são na maioria das vezes de corte à direita. Empregando-se
uma hélice esquerda, o cavaco é impulsionado à frente, não havendo contato entre o
cavaco e a superfície já usinada, o que acaba evitando que essa superfície seja
prejudicada. Esse tipo de alargador é indicado na presença de interrupções (rasgos
de chaveta, furos, fenda) na parede do furo. Os alargadores de dentes retos são
preferíveis em situações em que são necessárias grandes precisões (STEMMER,
2008).
Tipo de fixação – podem possuir haste cônica ou cilíndrica.
Quanto ao sentido do corte – O corte pode ser à direita ou à esquerda.
O sentido do corte é analisado observando-se o alargador de topo, localizado
horizontalmente em frente ao observador. Quando o dente inferior corta da direita para
a esquerda, diz-se que o corte é à esquerda (o alargador corta em sentido horário),
do contrário, o corte é à direita (SCHROETER, 1989).
Quanto ao uso – Os alargadores podem ser manuais ou de máquina. O
chanfro de entrada dos alargadores manuais os diferenciam dos alargadores de
máquina, pois esse chanfro é maior e de menor inclinação nos alargadores manuais
(SCHROETER, 1989).
Quanto à regulagem – podem ser fixos ou ajustáveis. Nos alargadores
ajustáveis tem-se a possibilidade de variar o diâmetro dessa ferramenta, dentro de um
certo intervalo, através de ajustes radiais dos dentes. Já nos alargadores fixos, tem-
se apenas uma dimensão (SCHROETER, 1989).
Quanto a geometria do furo – podem ser cônicos ou paralelos.
Quanto ao número de dentes – Os alargadores podem ser de corte
múltiplo ou de corte único (um dente).
2.3 METROLOGIA DO FURO
Segundo Albertazzi e de Souza (2008), a tolerância é a faixa de variação
aceitável para uma característica de um produto, definida de forma a garantir a
qualidade com que ele realiza a função para a qual foi projetado. Essa tolerância é
18
determinada com base no sistema de tolerância e ajuste ABNT/ISO, que é um sistema
normalizado (NBR 6158).
O sistema ISO é constituído por um conjunto de princípios e regras que
promovem a escolha racional de tolerâncias e ajustes de forma que a produção de
peças intercambiáveis torna-se mais econômica.
A precisão da peça, ou seja, a qualidade de trabalho, é determinada a partir
de uma série de tolerâncias essenciais que são definidas pelo o sistema ISO. A norma
brasileira presume 18 qualidades de trabalho, que são identificadas pelas letras: IT
(onde I vem de ISO e a letra T vem de tolerância) seguidas de numerais
(01,0,1,2,...,16) que referem-se as qualidades (SOUZA, 2013). A Figura 3 mostras as
qualidades de trabalho para eixos e furos.
Figura 3 - Qualidade de trabalho para eixos e furos
Fonte:<http://www.eterfs.com.br/material/mecanica/METROLOGIA%202.PDF>
A mecânica extraprecisa, abrange as qualidades entre 01 a 3, no caso dos
eixos, e entre 01 a 4, no caso dos furos. Já as qualidades entre IT4 e IT11, no caso
dos eixos, e entre IT5 e IT11 no caso dos furos, estão associados à mecânica corrente,
ou mecânica de precisão, que normalmente é uma precisão necessária em peças que
funcionam acopladas a outras. E por fim, as qualidades 12 a 16, estão classificadas
como mecânica grosseira, pois correspondem a maiores tolerâncias de fabricação
(SOUZA, 2013).
De acordo com Souza (2013), é comum aparecerem peças com superfícies
fora dos limites de tolerância, devido várias falhas no processo de usinagem, nos
instrumentos ou nos procedimentos de medição. Nesse caso, a peça apresenta erros
de forma. Um erro de forma corresponde à diferença entre a superfície real da peça e
a forma geométrica teórica. A forma do elemento será correta quando cada um dos
seus pontos for igual ou inferior ao valor da tolerância dada. Esses erros são
ocasionados por vibrações, imperfeições na geometria da máquina, defeito nos
mancais e nas árvores etc.
19
A norma NBR 6405/1988 apresenta alguns termos e conceitos de grande
relevância para o estudo e avaliação do estado da superfície, que são:
Superfície real – é a superfície que separa o corpo do ambiente;
Superfície geométrica – é a superfície ideal prescrita nos desenhos e
isenta de erros;
Superfície efetiva – é a superfície levantada pelo instrumento de
medição. É a superfície real, deformada pelo instrumento.
Perfil real – corte da superfície real;
Perfil geométrico – corte da superfície geométrica;
Perfil efetivo – corte da superfície efetiva;
Erros macrogeométricos – detectáveis por instrumentos convencionais;
Erros microgeométricos – detectáveis apenas por rugosímetro,
perfiloscópios etc. São definidos como rugosidade.
A Figura 4 apresenta as características das peças afetadas pelas tolerâncias:
Figura 4 – Notações e simbologia dos erros macrogeométricos
Fonte: < http://www.eterfs.com.br/material/mecanica/METROLOGIA%202.PDF>
Segundo Souza, Arencibia e Sato (2011), o desvio de circularidade,
graficamente, equivale à distância radial mínima entre duas circunferências
concêntricas, dentre as quais deve estar contido o perfil real da peça. Já o desvio de
cilindricidade é definido como a diferença radial entre dois cilindros coaxiais entre os
quais deve estar localizada a superfície real da peça. A Fi12gura 5 ilustra uma
representação gráfica dos desvios de circularidade (a) e de cilindricidade (b).
A circularidade é um caso especial de cilindricidade, quando se considera uma
seção do cilindro perpendicular à sua geratriz. A tolerância de cilindricidade engloba,
as tolerâncias admissíveis na seção longitudinal do cilindro, que compreende
20
conicidade, concavidade e convexidade, e tolerância admissível na seção transversal
do cilindro, que corresponde à circularidade (SOUZA, 2013).
Figura 5 – Desvios de circularidade (a) e de cilindricidade (b) representados graficamente
Fonte:< http://limcserver.dee.ufcg.edu.br/metrologia_2011/imekotc4/86501.pdf>
Se os erros de forma estiverem dentro das tolerâncias dimensionais, eles
serão suficientemente pequenos para se obter a montagem e funcionamento
adequados da peça, e como consequência, geralmente não há a necessidade de
especificar tolerâncias de circularidade (SOUZA, 2013).
2.4 PROBLEMAS NA FURAÇÃO
A qualidade de um furo usinado, no que se refere aos erros de forma e
medida, depende principalmente da afiação e da geometria de ponta da broca. As
imperfeiçoes mais comuns que ocorrem na geometria do furo durante o processo de
furação são (VILLARROEL,1991):
- Erros de cilindricidade (forma): Diferença de raio entre dois cilindros
concêntricos contidos na superfície do furo.
- Formação de rebarbas no furo: Dependente das condições de usinagem
empregadas, tão quanto dos materiais da ferramenta e da peça.
- Erro de posicionamento do furo: Dependente da combinação máquina-
ferramenta e da geometria de ponta da broca.
- Erros de circularidade: Assumem as mais diversas formas, tendo como fator
crítico para essas imperfeiçoes fatores como rigidez do sistema arvore, cone,
ferramenta e peça.
- Erro de sobre medida (dimensão): Influenciado pela simetria entre os gumes
da ferramenta e pela rigidez da ferramenta. Essa não simetria da broca é levada pela
má fabricação da ferramenta ou por um erro no processo de afiação.
21
A Figura 6 ilustra as imperfeições que podem ser geradas no processo de
furação.
Figura 6 – Erros geométricos no processo de furação
Fonte: Villarroel,1991.
2.5 TEMPO DE PROCESSO E CUSTOS
Segundo Ferraresi (1924) o ciclo de usinagem de uma peça, pertencente a
um lote de Z peças, é constituído diretamente pelas seguintes fases:
Colocação e fixação da peça;
Aproximação e posicionamento da ferramenta;
Corte;
Afastamento da ferramenta;
Inspeção (se necessário) e retirada da peça.
Para um lote de Z peças, tem-se ainda inclusas as seguintes fases:
Preparo da máquina;
Remoção da ferramenta para a substituição;
Recolocação e ajustagem da nova ferramenta
Em um lote de Z peças, o tempo total de usinagem (𝑡𝑡) de uma peça, é dado
pelo tempo gasto em todas as etapas:
𝑡𝑡 = 𝑡𝑐 + 𝑡𝑠 + 𝑡𝑎 +
𝑡𝑝
𝑍+
𝑁𝑡
𝑍. 𝑡𝑓𝑡
(1)
Onde 𝑡𝑐 tempo de corte, 𝑡𝑠 tempo secundário, 𝑡𝑎 tempo de aproximação e
afastamento, 𝑡𝑝 tempo de preparo da máquina, 𝑡𝑓𝑡tempo de troca da ferramenta, e 𝑁𝑡
é o número de trocas da ferramenta para a usinagem do lote, T é o tempo de vida da
ferramenta (FERRARESI, 1924).
𝑁𝑡 = 𝑍.
𝑡𝑐
𝑇− 1
(2)
Para um determinado avanço e profundidade de corte do par ferramenta-peça,
Taylor definiu a seguinte fórmula, relacionando a vida da ferramenta em função da
22
velocidade de corte, que pode ser expressa pela equação 3, onde k e x são constantes
do material (DINIZ, 2006).
𝑇 = 𝑘. 𝑣𝑐−𝑥 (3)
Segundo Diniz (2006), o custo total de fabricação de uma peça através
do processo de usinagem é dado por:
𝐾𝑝 = 𝐶1 +
𝑡𝑐
60. 𝐶2 +
𝑡𝑐
𝑇. 𝐶3
(4)
Onde 𝐶1 é a constante de custo independente da velocidade de corte, expressa
em R$/peça, 𝐶2 é a soma das despesas totais de mão-de-obra e salário máquina, em
R$/peça, e 𝐶3é a constante de custo relativo à ferramenta, em reais.
2.6 AÇO SAE 4140
Os aços de baixa liga da família SAE 41XX são ligados ao Cromo
(aproximadamente 1%) e ao molibdênio (aproximadamente 0,2%), obtêm-se alta
resistência por meio de tratamentos térmicos de têmpera e revenido. Comumente são
utilizados na obtenção de equipamentos que requerem tensão de limite de
escoamento entre 410 MPa e 965 MPa, podendo atingir um limite de resistência à
tração de até 1650 Mpa (ASM, Handbook, 1990).
O aço SAE 4140 ou aço-cromo-molibdênio como também é conhecido, pode
conter os teores de carbono entre 0,3% a 0,5%, e assim, é classificado como aço de
médio carbono. Pode ser utilizado em temperaturas de até 480 ºC, sendo que em
temperaturas superiores a esse valor, a sua resistência diminui rapidamente (ROCHA,
2004). A composição do aço SAE 4140 está representada na Tabela 1.
Tabela 1 - Composição do Aço SAE 4140
Elemento Concentração (%)
Cromo 0,80 - 1,10
Molibdênio 0,15 - 0,25
Manganês 0,75 - 1,00
Carbono 0,38 - 0,43
Silício 0,15 - 0,30
Enxofre 0,04 (máx.)
Fósforo 0,035 (máx.)
Fonte: Autor Desconhecido, disponível em: < http://www.materiais.gelsonluz.com/2017/10/aco-sae-4140-propriedades-mecanicas.html>
23
Algumas das características deste material são a alta temperabilidade, baixa
soldabilidade para os processos tradicionais, devido ao alto teor de carbono em sua
composição, e usinabilidade razoável apenas na condição recozida (alívio de tensão).
Além disso, apresenta boa resistência à torção e à fadiga, e a dureza na condição
temperada varia de 54 a 59HRC (ROCHA, 2004). A Figura 7, mostra algumas
propriedades do aço AISI 4140:
Figura 7 – Propriedades mecânicas do aço AISI 4140
Fonte: < http://uenf.br/posgraduacao/engenharia-de-materiais/wp-ontent/uploads/sites/2/2013/07/DISSERTA%C3%87%C3%83O-FINAL-5.pdf>
24
3 METODOLOGIA
Nesta seção é descrita a metodologia utilizada para a realização dos ensaios
de furação convencional e alargamento. Conforme ilustrado na Figura 8, o fluxograma
apresenta as etapas realizadas no procedimento experimental. Inicialmente realizou-
se a preparação do corpo de prova, e em seguida, a realização dos ensaios, ou seja,
a furação convencional e o processo de alargamento. Sendo realizadas inspeções de
metrologia ao fim de cada processo, e posteriormente, a análise dos dados obtidos.
Figura 8 – Fluxograma das etapas a serem realizadas
Preparação do Corpo de Prova
Furação Convencional
10 mm
Alargamento10 mm
Pré-Furação9,5 mm
Inspeção de Metrologia –
Análise dos Dados
Fonte: Autoria própria.
3.1 PREPARAÇÃO DO CORPO DE PROVA
Esta atividade teve a finalidade de atribuir as dimensões adequadas ao corpo
de prova utilizado nos ensaios, de maneira a garantir uma adequada fixação na
máquina durante os processos de furação, e posteriormente, no equipamento utilizado
para medir os desvios de cilindricidade e circularidade. Foi realizado no corpo de prova
o corte em serra fita e o esquadrejamento. O corpo de prova teve as dimensões
conforme a Figura 9, sendo constituído de aço SAE 4140.
Figura 9 – Corpo de prova que utilizado nos ensaios
Fonte: Autoria própria.
25
3.2 PROCESSO DE USINAGEM
Após a preparação do corpo de prova, realizou-se os processos de furação
convencional utilizando broca helicoidal 10 mm, a furação intermediária para o
processo de alargamento com broca helicoidal de 9,5 mm, e a operação de
alargamento, foram realizadas em fresadora marca Diplomat modelo FVF 2500,
pertencente ao laboratório de usinagem da Universidade Tecnológica Federal do
Paraná – Campus Guarapuava.
3.2.1.1 Processo de furação utilizando broca helicoidal
Foram realizados um total de 16 furos passantes no corpo de prova, utilizando
uma broca helicoidal marca Dormer - DIN 338 forma N - constituída de aço rápido
(HSS - M2) – perfil de tolerância H8 – ângulo de ponta de 118º e diâmetro nominal 10
mm. A furação foi realizada à seco, com parâmetros de corte fixos, apresentados na
Tabela 2.
Tabela 2 – Parâmetros de corte – Furação Convencional
Parâmetro de corte
n 1000 RPM
f 0,08 mm/rot
vf 80 mm/min
Fonte: Autoria própria.
3.2.1.2 Processo de alargamento
Analogamente ao processo anterior, foram realizados um total de 16 furos
com comprimento de 30 mm, utilizando uma broca helicoidal marca Dormer - DIN 338
forma N - constituída de aço rápido (HSS - M2) – perfil de tolerância H8 – ângulo de
ponta de 118º e diâmetro nominal 9,5 mm. A furação foi realizada à seco, com os
parâmetros de corte apresentados na Tabela 3.
Tabela 3 – Parâmetros de corte
Parâmetros de Corte Furação Intermediária Alargamento
n 1000 RPM 1500 RPM
f 0,08 mm/rot 0,16 mm/rot
vf 80 mm/min 160 mm/min
Fonte: Autoria própria.
26
Posteriormente foi realizado a operação de alargamento dos furos
intermediários, através de um alargador máquina marca Dormer – norma DIN 212B –
perfil de tolerância h7 e diâmetro nominal de 10 mm. O alargamento foi realizado à
seco, utilizado os parâmetros de corte indicados pelo fabricante, apresentados na
Tabela 3.
3.3 ANALISE DO DESGASTE DE FLANCO
O desgaste de flanco da ferramenta foi medido a cada ciclo de 4 furos através
um microscópio estereoscópio marca Zeiss, modelo Stemi 200C. Este microscópio
enviava as imagens para o computador a partir de uma câmera digital Canon modelo
Power Shot G 6 montada no referido microscópio. A imagem do desgaste foi adquirida
por um software, Zoom Browser Ex 6.1.1, que permitia a medição do desgaste e seu
armazenamento em arquivo digital através do software Axio Vision Le.
3.4 INSPEÇÃO DOS FUROS
Após os processos de furação o corpo de prova foi levado até a máquina de
medir por coordenadas marca Mitutoyo modelo Crysta Apex S 574, pertencente ao
laboratório de metrologia da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – Campus
Guarapuava. Em cada furo foram realizadas cinco medições em relação ao diâmetro,
e posteriormente obtida a média desses diâmetros e o desvio padrão. Após a
verificação do diâmetro real, deu-se início ao estudo sobre a circularidade, para tal,
definiu-se pontos internos no furo 1, furo 8 e furo 16 realizado por cada processo,
especificou-se uma tolerância geométrica na máquina, que para esse caso foi IT11, e
assim foi medido esse desvio, onde a máquina retornou imagens que estão
apresentadas na seção de resultados. Já o desvio de cilindricidade foi medido em
função do processo realizado, a medição se deu através da obtenção de pontos
igualmente divididos entre entrada e saída de cada furo.
27
3.5 ANÁLISES FINAIS
Os resultados obtidos foram divididos e tabelados de acordo com cada
processo, foram realizadas análises separadamente em relação aos desvios de forma,
tanto para o processo de furação convencional quanto para a operação de
alargamento, e por fim, de acordo com os dados obtidos, foi realizado um comparativo
entre ambos, com o intuito de definir qual é o processo tem uma maior precisão
geométrica.
28
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 DESGASTE DE FLANCO
Na Tabela 4 apresentam-se as medições do desgaste de flanco máximo
(VBmáx) da broca com diâmetro de 10 mm e do alargador, utilizando velocidade de
corte de Vc = 31,4 m/min, avanço de f = 0,08 mm/volta, e Vc = 47,1 m/min, f = 0,16
mm/volta, respectivamente, essa análise foi realizada em função do número do furo,
ou seja, após a realização do furo 0, 4, 8, 12 e 16, conforme apresentado na Tabela
4.
Tabela 4 – Desgaste de Flanco (Vbmax) µm
Desgaste de Flanco Máximo (µm)
Furos 0 4 8 12 16
Broca 10 mm 2,34 63,18 99,35 127,12 213,32
Broca 9,5 mm 1,38 24,67 32,45 53, 76 78,94
Alargador 10 mm 1,2 11,23 17,51 21,76 26,83
Pré-Furo + Alargamento 2,58 35,9 49,96 75,52 105,77
Fonte: Autoria própria
Para um melhor entendimento dos resultados, os mesmos são apresentados
no Gráfico 1. Nota-se que o desgaste de flanco na broca é muito mais elevado do que
no alargador. Isso pode ser explicado pelo fato do número de arestas de corte no
alargador ser maior, usinando com menor esforço distribuído em seus gumes de corte.
Por exemplo, Lobo (2015) quando realizou um estudo comparativo do comportamento
entre brocas alargadoras e processo de alargamento na usinagem do ferro fundido
cinzento GG30, concluiu que quanto maior a quantidade de canais das ferramentas,
menor o esforço aplicado sobre cada gume, contribuindo com o aumento da vida útil,
preservando-as dos mecanismos de desgaste e eventuais lascamentos. Uma possível
explicação, é que como a força de corte nos gumes da broca são maiores, há uma
maior geração de energia (calor) nas mesmas. Castillo (2005) quando estudou o
desgaste de flanco máximo em função da velocidade de corte de quatro brocas de um
mesmo material e com geometrias diferentes, afirmou que os melhores resultados de
degaste foram constatados onde os efeitos da temperatura são menos significativos,
proporcionando um maior tempo de vida para as ferramentas. Nota-se assim que a
temperatura gerada no processo pode ser um fator determinante em relação ao
desgaste de flanco.
29
Gráfico 1 – Desgaste de flanco (Vbmax) µm
Fonte: Autoria própria.
Para uma comparação mais próxima à realidade, optou-se por somar o
processo de pré-furaçao com o alargamento e assim manter o volume de material
igual a furação em cheio com broca de 10 mm. Desta forma os resultados podem ser
comparados com uma proximidade mais realista, sendo que o desgaste para o
processo de pré-furo somado ao alargamento foi menor que se que para furação em
cheio, pelos motivos já descritos anteriormente.
4.2 DESVIO DE DIÂMETRO EM FUNÇÃO DO PROCESSO
A variação dimensional do furo foi outra variável observada durante o processo,
as tabelas que serão apresentadas nessa seção, relacionam a medida real obtida em
função do processo de furação convencional e do alargamento, sendo esses dados
apresentados em milímetros.
4.2.1 Furação Convencional com broca de 10 mm
Os resultados das medições obtidas nesse processo, estão apresentados na
Tabela 5 e posteriormente no Gráfico 2.
Tabela 5 – Diâmetro real em função do processo de furação com broca 10 mm
10 mm Furo 1 Furo 2 Furo 3 Furo 4 Furo 5 Furo 6 Furo 7 Furo 8
1 10,164 10,146 10,172 10,180 10,165 10,165 10,184 10,200
2 10,147 10,166 10,166 10,176 10,174 10,158 10,176 10,192
3 10,121 10,171 10,142 10,184 10,178 10,168 10,151 10,203
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
0 5 10 15
Des
gast
e d
e Fl
anco
(µ
m)
Furação 10 mm Alargamento
30
4 10,141 10,166 10,162 10,186 10,167 10,184 10,163 10,183
5 10,132 10,144 10,155 10,188 10,177 10,171 10,171 10,181
Média 10,141 10,166 10,162 10,184 10,174 10,168 10,171 10,192
Desvio Padrão
0,014464 0,011271 0,010307 0,004308 0,005269 0,008565 0,011296 0,008795
10 mm Furo 9 Furo 10 Furo 11 Furo 12 Furo 13 Furo 14 Furo 15 Furo 16
1 10,191 10,198 10,194 10,197 10,193 10,218 10,223 10,242
2 10,183 10,197 10,190 10,193 10,190 10,217 10,217 10,266
3 10,196 10,199 10,195 10,209 10,203 10,202 10,224 10,226
4 10,195 10,189 10,202 10,194 10,217 10,234 10,237 10,269
5 10,193 10,184 10,180 10,207 10,200 10,217 10,210 10,244
Média 10,193 10,197 10,194 10,197 10,200 10,217 10,223 10,244
Desvio Padrão
0,00463 0,005886 0,007222 0,006693 0,009436 0,010131 0,008931 0,01607
Fonte: Autoria própria.
Nota-se que há um aumento no diâmetro dos furos à medida que o processo
vai sendo realizado, uma possível explicação é o desgaste da ferramenta no decorrer
do processo, que consequentemente acaba gerando alterações na afiação da
ferramenta, e com isso há um aumento de alguns esforços, como a força de avanço
e o momento torçor, e isso pode ocasionar maiores vibrações, podendo ocorrer
perturbações a instabilidade do processo, onde ferramentas ou porta-ferramentas
desbalanceados, em altas velocidades, fazem com que o eixo de rotação do conjunto
varie, provocando defeito nos furos.
Gráfico 2 – Desvio de diâmetro – Broca 10 mm
Fonte: Autoria própria.
Segundo Ferraresi (1924), o estado de afiação numa ferramenta exerce notável
influência sobre os esforços de usinagem, podendo alcançar valores 25% maiores
10,00
10,05
10,10
10,15
10,20
10,25
10,30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Dim
ensã
o (
mm
)
Numero do Furo
IT8
IT10
31
para um desgaste da ferramenta dentro da faixa admissível de desgaste. Já Castillo
(2005) em seu estudo sobre furação profunda em ferro fundido cinzento GG25 com
brocas de metal-duro com canais retos, concluiu que com o aumento do avanço, o
diâmetro do furo aumenta. Esta variação dimensional pode acarretar em uma faixa de
tolerância fora da especificada pela ferramenta entre IT8 e IT10 com uma variação em
furação de 0,027 e 0,07 mm. Mesmo utilizando uma ferramenta nova nos ensaios, não
se obteve furos dentro da tolerância IT8 indicada pela ferramenta.
4.2.2 PROCESSO DE ALARGAMENTO
Esse processo é constituído por duas etapas, a realização do pré-furo com a
broca de 9,5 mm, e posteriormente a realização do alargamento até a obtenção do
furo de 10 mm de diâmetro. Os resultados obtidos no processo da furação
intermediária estão dispostos na Tabela 6 e no Gráfico 3 a seguir.
Tabela 6 – Diâmetro real em função do processo de furação com broca 9,5 mm
9,5 mm Furo 1 Furo 2 Furo 3 Furo 4 Furo 5 Furo 6 Furo 7 Furo 8
1 9,515 9,553 9,536 9,523 9,554 9,556 9,546 9,54
2 9,502 9,528 9,53 9,538 9,555 9,556 9,535 9,559
3 9,514 9,536 9,539 9,524 9,542 9,553 9,546 9,564
4 9,511 9,542 9,534 9,532 9,552 9,55 9,549 9,563
5 9,514 9,532 9,535 9,538 9,55 9,563 9,532 9,55
Média 9,5112 9,5382 9,5348 9,531 9,5506 9,5556 9,5416 9,5552
Desvio Padrão
0,004792 0,008727 0,002926 0,006512 0,00463 0,004317 0,006771 0,009064
9,5 mm Furo 9 Furo 10 Furo 11 Furo 12 Furo 13 Furo 14 Furo 15 Furo 16
1 9,576 9,569 9,572 9,574 9,579 9,583 9,587 9,592
2 9,559 9,551 9,568 9,573 9,578 9,58 9,586 9,591
3 9,576 9,562 9,572 9,57 9,58 9,581 9,588 9,594
4 9,584 9,543 9,573 9,578 9,579 9,582 9,588 9,59
5 9,569 9,56 9,57 9,575 9,581 9,584 9,59 9,59
Média 9,5728 9,557 9,571 9,574 9,5794 9,582 9,5878 9,5914
Desvio Padrão
0,008376 0,009055 0,001789 0,002608 0,00102 0,001414 0,001327 0,001497
Fonte: Autoria própria.
Nota-se que à medida que o processo vai sendo realizado os valores dos
diâmetros aumentam, e uma possível explicação para esse fato é que a ferramenta
vai se desgastando ao longo do processo. Percebe-se também que a maioria dos
furos estiveram dentro da faixa de tolerância especificada.
32
Gráfico 3 – Desvio de diâmetro – Furação intermediária 9,5 mm
Fonte: Autoria própria.
Ao comparar os resultados obtidos utilizando a broca de 10 mm, nos dois
processos há um aumento em relação ao diâmetro dos furos à medida que o processo
vai sendo realizado, no entanto nenhum furo realizado no processo anterior ficou
dentro da faixa de tolerância especificada. Outro ponto que deve ser levando em
consideração é a menor dispersão dos dados de medição, os valores de desvio
padrão foram menores, podendo estar correlacionada a uma menor força exigida no
processo de corte, já que segundo Ferraresi (1924) a força de corte por gume é dada
por:
𝐹𝑐 = 𝐾𝑐 ∗
𝑓𝑑
4
(5)
Onde d é o diâmetro da broca, assim, podemos notar que a força de corte por gume,
é proporcional ao valor do diâmetro da broca, podendo afirmar que quanto maior for o
diâmetro, maior será a força de corte realizada no processo.
Os resultados obtidos no processo de alargamento estão dispostos na Tabela
7 a seguir e no Gráfico 4.
Tabela 7 – Diâmetro real em função do processo alargamento
10 mm – alargador
Furo 1 Furo 2 Furo 3 Furo 4 Furo 5 Furo 6 Furo 7 Furo 8
1 10,02 10,032 10,039 10,042 10,049 10,048 10,051 10,05
2 10,032 10,035 10,038 10,046 10,046 10,047 10,047 10,051
3 10,034 10,037 10,038 10,046 10,046 10,048 10,051 10,052
4 10,04 10,032 10,041 10,047 10,042 10,049 10,053 10,05
9,50
9,55
9,60
9,65
9,70
9,75
9,80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Dim
ensã
o (
mm
)
Numero do Furo
IT10
IT8
33
5 10,038 10,04 10,037 10,046 10,049 10,05 10,053 10,052
Média 10,0328 10,0352 10,0386 10,0454 10,0464 10,0484 10,051 10,051
Desvio Padrão
0,006997 0,003059 0,001356 0,001744 0,002577 0,00102 0,002191 0,000894
10 mm – alargador
Furo 9 Furo 10 Furo 11 Furo 12 Furo 13 Furo 14 Furo 15 Furo 16
1 10,052 10,054 10,056 10,059 10,062 10,061 10,063 10,065
2 10,051 10,052 10,051 10,057 10,06 10,063 10,069 10,069
3 10,05 10,05 10,057 10,058 10,059 10,067 10,068 10,068
4 10,052 10,052 10,05 10,06 10,064 10,063 10,067 10,068
5 10,051 10,055 10,053 10,057 10,063 10,065 10,067 10,069
Média 10,0512 10,0526 10,0534 10,0582 10,0616 10,0638 10,0668 10,0678
Desvio Padrão
0,000748 0,001744 0,002728 0,001166 0,001855 0,00204 0,00204 0,00147
Fonte: Autoria própria.
Nota-se que no decorrer da operação de alargamento ocorre um aumento da
média dos diâmetros dos furos, mas relativamente menor se comparado com a
furação convencional com broca helicoidal, obtendo-se assim, um valor muito próximo
do valor nominal, atendendo integralmente aos requisitos de tolerância IT10. Bezerra
(2001) em seu artigo, mostra que com o aumento do número de arestas de corte a
precisão do diâmetro e o acabamento superficial do furo melhoram, pois há uma
redução do avanço por aresta de corte (para a mesma velocidade de avanço) e o
aumento da quantidade de guias, o que aumenta o efeito de alisamento na parede do
furo. Este efeito neutraliza o aumento de vibrações gerados pelas múltiplas arestas
de corte, mesmo não sendo simétricas. Explicando assim o motivo desse processo
obter furos mais precisos em relação a furação convencional.
Gráfico 4 – Desvio de diâmetro – Alargamento
Fonte: Autoria própria.
10,00
10,05
10,10
10,15
10,20
10,25
10,30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Dim
ensã
o (
mm
)
Numero do Furo
IT10
IT8
34
4.3 DESVIO DE CIRCULARIDADE
Na Tabela 8 e no Quadro 1, encontra-se os dados coletados, e as imagens
referentes ao desvio de circularidade. Nas imagens, o círculo amarelo refere-se à
circularidade teórica da ferramenta, sendo o diâmetro de 10 mm nominal, a área em
verde refere-se a tolerância geométrica da máquina, na ordem de IT11 (intervalo de
tolerância geométrica de ±0,150 mm), e os pontos a medida real da circularidade do
furo.
Tabela 8 – Desvio de circularidade em função do processo
Processo Furo 1 Furo 8 Furo 16
Broca 10 mm 0,046 0,081 0,156
Alargamento 0,030 0,038 0,055
Fonte: Autoria própria.
Nota-se que os desvios de circularidade são maiores nos furos obtidos por
meio da furação convencional do que no alargamento, uma possível explicação para
esse fato pode estar relacionada ao desgaste da ferramenta. Segundo Micheletti
(1980), o desgaste da ferramenta é o maior responsável pela dispersão nos valores
de circularidade do furo. Gumes afiados numa broca garantem uma estabilidade na
tolerância de circularidade do furo. E como o desgaste na broca foi significativamente
maior do que no alargador, isso explica o fato do desvio de circularidade ter sido maior
no processo de furação convencional. Analisando os furos obtidos com o processo
de furação com a broca, o furo 1, furo 8 e furo 16, apresentaram tolerâncias
geométricas da ordem IT10, IT11, e IT12, respectivamente. Já com o processo de
alargamento, o furo 1 apresentou uma tolerância geométrica da ordem IT9, o furo 8 e
16 uma tolerância da ordem IT10.
Quadro 1 – Desvio de circularidade - Furo 1, 8 e 16 de cada processo
Fur
o
Broca 10 mm Alargamento – Broca 15 mm
35
1
16
Fonte: Autoria própria
4.4 DESVIO DE CILINDRICIDADE
Na Tabela 9 estão dispostos os resultados do desvio de cilindricidade nos
furos 1, 8 e 16 de cada processo.
Tabela 9 – Desvio de cilindricidade em milímetros
Furação Convencional Alargamento
10 mm Furo 1 Furo 8 Furo 16 Furo 1 Furo 8 Furo 16
1 0,1286 0,153 0,1994 0,0256 0,0298 0,032
2 0,1385 0,154 0,2003 0,103 0,0274 0,0345
3 0,1223 0,168 0,2012 0,0198 0,0265 0,0389
4 0,1467 0,166 0,2005 0,0106 0,0273 0,042
5 0,129 0,149 0,1985 0,0193 0,0283 0,0374
Média 0,129 0,154 0,2003 0,0198 0,0274 0,0374
36
Desvio Padrão
0,008577 0,007563 0,000937 0,034009 0,001125 0,003464
Fonte: Autoria própria.
Conforme os resultados obtidos, os melhores valores de cilindricidade foram
verificados para o processo de alargamento. Há um aumento desse desvio no
decorrer do processo, e os furos obtidos com a furação utilizando a broca
convencional apresentam um desvio significativamente maior. Como mencionado
anteriormente, uma possível explicação para esse fato pode estar relacionada com os
maiores esforços gerados durante a usinagem, segundo Coldwell (2004), em furação
os altos esforços na furação estão relacionados com os altos valores de cilindricidade,
indicando problemas na evacuação dos cavacos, contribuindo a deformações, além
de maiores vibrações ou desbalanceamento da máquina-ferramenta. Tais esforços
repercutem negativamente nas tolerâncias de cilindricidade do furo. O Gráfico ilustra
de forma mais clara esses dados.
Gráfico 5 - Desvio de cilindricidade em função do processo
Fonte: Autoria própria.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 5 10 15
Des
vio
de
Cili
nd
rici
dad
e (m
m)
Numero do Furo
Furação Convencional Alargamento
37
5 CONCLUSÃO
A partir dos resultados encontrados durante o desenvolvimento deste trabalho,
pode-se concluir que:
Atingiu-se os objetivos propostos inicialmente, obtendo-se um comparativo
entre o processo de alargamento de furos e a operação de furação convencional
utilizando broca helicoidal em aço SAE 4140 com relação à precisão geométrica.
Em relação ao desgaste das ferramentas, a broca utilizada no processo de
furação convencional sofreu um desgaste significativamente maior do que o alargador,
isso se explica pelo fato do alargador possuir um maior número de arestas de corte,
usinando com menor esforço distribuído em seus gumes.
Se tratando dos desvios estudados durante este trabalho, o processo de
alargamento foi o que gerou melhores resultados, tanto no desvio de circularidade,
cilindricidade, quanto no diâmetro real, apresentando furos com uma dimensão bem
próxima da nominal, com um conjunto de dados mais homogêneos, e com qualidades
de trabalho da ordem IT9 e IT10, já com a furação convencional, obteve-se furos com
qualidades de trabalho IT10, IT11 e IT12.
Como ambos os processos foram executados sob as mesmas condições, pode-
se concluir que o fato dos desvios de cilindricidade e circularidade terem sido maiores
no processo de furação convencional, se explica pelo desgaste de flanco na broca ser
significativamente maior, ocorrendo uma rápida deterioração dos seus gumes em
comparação com os gumes do alargador, perdendo rapidamente a sua afiação à
medida que o processo vai sendo realizado, e consequentemente é gerado maiores
esforços de usinagem, que acabam contribuindo para maiores vibrações,
deformações, desbalanceamento da máquina-ferramenta, e com isso interferindo na
tolerância.
Tais resultados mostram que o com o processo de alargamento obtém-se furos
com maiores precisões geométricas se comparado com o processo de furação
convencional. Sendo que a escolha entre um deles, vai depender muito da aplicação,
onde o que vai definir é o quanto de precisão será exigida pelo processo.
38
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